《Science》子刊：困扰人类2000年的摩擦带电机制，终于解答了！

尽管接触物体的带电现象已被观察了至少2000年，但其潜在机制的细节仍未被完全了解。在此，来自德国杜伊斯堡大学的Rolf Möller等研究者，讨论了两种金属接触带电的最基本过程。相关论文以题为“Dynamics of contact electrification”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/22/eabg7595

接触带电是一种无处不在的现象，每当两个表面接触即会发生。这是在日常生活中，可以直接观察到的摩擦电的基本过程。而它也是雷暴、沙尘暴或火山喷发中闪电的成因。当处理潜在爆炸性液体或粉尘时，这是一个主要问题。尽管人们描述它已有2000多年，但其潜在机制仍然存在争议。

目前基本上，需要考虑三种电荷转移：电子、离子或带部分电荷的材料的转移。一般认为，对于金属-金属接触，电子在两个表面之间转移，从而建立了接触电位，这是由相应的功函数的差给出的。基于功函数差的预测与观察到的电荷转移相一致，有力地支持了金属-金属接触中电子转移的概念。

然而，金属-绝缘子或绝缘子-绝缘子接触的情况，并不那么明显。电子转移的作用，已经阐明了金属和无机绝缘体之间的接触，例如，观察温度依赖的热电子发射。另一方面，聚合物中弱束缚离子与转移电荷的相关性，为离子转移提供了证据。对于其他材料的组合，来自环境大气的水导致电荷转移，例如，30%的湿度，但既不是0%也不是100%。

高分辨率的局部电场测量实验表明，对于常用的摩擦电性聚合物，电荷可能在高电荷块的相反符号镶嵌结构中分布非常不均匀，但宏观净效应很小。尽管对接触带电的详细机理进行了讨论，但在过去的几个世纪里，仅通过实验建立了一个经验的摩擦学系列。采用液态金属-绝缘体界面，可大大提高再现性。接触起电率的不断提高，推动了摩擦电纳米发电机的发展。

基于此，研究者提出了一种新的实验技术，使得能够以前所未有的分辨率分析接触带电的电荷转移过程。它可以揭示从金属表面弹回的金属粒子的电势，是如何随时间演化的。然而，与普遍接受的金属-金属接触概念相反，研究者发现电荷随着碰撞速度的增加而增加。这种情况在金属-绝缘体或绝缘体-绝缘体接触中已被普遍观察到，但在金属-金属接触中却没有。

此外，它揭示了在接触之前没有电荷的“记忆”，因为在几微秒的力学接触期间建立了一个电接触。因此，球体的电势就降低到零点几伏特的接触电势。然而，在电触点断开的瞬间，球上的电荷在不到1 μs的时间内，建立起高达3 V的电位。在一个慢得多的时间尺度上，当球体和板块之间的距离增加时，势能会进一步增加。结果表明，球在接触瞬间放电，放电时间约为6~8 μs。

图1 实验装置方案。一个等效电路显示在右上角。

图2 测量电容器下极板上的电荷和导出的量。

图3 在接触前100 μs和接触后100 μs的第一次和第二次接触的详细信息。

综上所述，研究者通过新技术，可以用亚微秒的时间分辨率，详细研究在平板上弹跳的球的电荷和势。结果表明，电荷转移仅限于持续数微秒的短时间机械接触。在随后的接触中没有电荷的积累，因为电位被重置为每个接触点的接触电位。

在Harper和Lowell的模型之外，研究者发现了一种由金属-金属接触转移的电荷增加的冲击依赖机制。对于从金属板上弹回的金属球，电势可达10 V。研究者认为，在电接触中断的时刻，由于接触面积的变形，随着球和板之间的容量的增加。这对涉及绝缘体的接触带电和摩擦电也很重要，因为通过变形扩大接触面积，将以类似的方式导致电荷转移增强。然而，对于后者，由于缺乏导电性，电荷不会在随后的接触中“复位”，并可能随着每个接触积累。（文：水生）